Nanotechnologie : Dampf ablassen wie Bakterien
Warum das Rad ein zweites Mal erfinden, wenn die wahren Meister des Mikrokosmos, die Bakterien, uns doch eindrucksvoll demonstrieren, wie es geht? Leichter ist es, eines ihrer funktionstüchtigen Proteine zu modifizieren und für die eigenen Zwecke zu gebrauchen.
© JumalaSika ltd / stock.adobe.com (Ausschnitt)
Eines haben Mikrobiologen und ihre Bakterien gemeinsam: Sie geraten bei der Arbeit gelegentlich unter Druck. Während es sich bei den Biologen jedoch "nur" um Forschungsgelder oder konkurrierende Wissenschaftler dreht, geht es den Mikroben im schlimmsten Falle an den Kragen. Sinkt nämlich aus irgendeinem Grund plötzlich die Konzentration gelöster Substanzen in ihrer Umgebung, kann es zu einem osmotischen Schock mit fatalen Folgen kommen: Unmengen von Wasser strömen in die Zelle, sodass sie sich unkontrolliert aufbläht und schließlich platzt. Das jähe Ende einer Bakterienkarriere.
Um nicht gleich bei jedem Milieuwechsel den osmotischen Tod zu sterben, haben viele Mikroben spezielle Überdruckventile für den Notfall entwickelt. Diese Proteine registrieren den Druckunterschied zwischen innen und außen und öffnen im Notfall ihre Poren. Dann schießt das Wasser samt der darin enthaltenen Ionen, Nährstoffe und kleiner Proteine nach draußen – ein herber Verlust für die Zelle, aber allemal besser als zu platzen.
Auf Seiten der Wissenschaftler ist man neidisch auf diese strikt regulierten Ventile. Nicht etwa aus Furcht, sich plötzlich selbst zu sehr aufzublähen, sondern weil sie für ihre Ideen von exakt gesteuerten Mikromaschinen gerne Mechanismen wie die beschriebenen Ventile gebrauchen könnten. Nur leider hat es sich als äußerst schwierig erwiesen, die Aufgabe im Maßstab von einigen hundert Nanometern in den Griff zu bekommen. Es ist eben einfach zu klein für Wesen von der Meterskala.
Wenn sich die begehrten Ventile nicht nachbauen lassen, könnte man doch einfach die Originale modifizieren, lautete darum die Idee niederländischer Forscher um Armagan Kocer von der BiOMaDe Technology Foundation. Also isolierten die Wissenschaftler das Ventil-Protein MscL (Mechanosensitive channel of Large conductance) aus dem beliebten Bakterium Escherichia coli und versahen es an seinem regulierenden Ende mit lichtempfindlichen Substanzen. Eingebaut in kleine Membrankügelchen, so genannte Liposome, musste die manipulierte Version zeigen, wie sie auf Druck und Licht reagiert.
Der Druck ließ das veränderte Ventil kalt. Anders war es bei Belichtung mit nahem UV-Licht: Je nach angehängtem Farbstoff öffnete das Protein schnell oder langsam die Pore. Schnell ging es, wenn das fotosensitve Molekül im UV-Licht zerfiel – danach war und blieb die Pore irreversibel offen. Hing an dem Protein jedoch ein Farbstoff, der reversibel mit UV- und sichtbarem Licht zwischen zwei verschiedenen Zuständen hin und her geschaltet werden konnte, brauchte der Übergang bis zu zwei Minuten – dafür ließ sich das Ventil nicht nur öffnen, sondern auch wieder schließen.
Die bisherigen Experimente zeigen vor allem, dass natürliche Proteine im Prinzip für neue Aufgaben modifiziert werden können. Für einen wirklichen Einsatz ist das System aber noch längst nicht geeignet, denn noch sind die Liposomen auch bei geschlossenem Ventil ein wenig leck, und das reversible Schalten funktioniert mit jedem Zyklus weniger gut. Mit einer Menge Forscherfleiß und einer ebenso großen Portion Glück könnten aber aus Bakterien gewonnene Ventile eines Tages winzige Reaktionen im Mikromaßstab steuern oder Liposomen Wirkstoffe durch den Körper transportieren und gezielt dort entlassen, wo eine von außen aufgesetzte Lichtquelle die Ventile öffnet. Dann retten die Notfall-Proteine vielleicht nicht nur das Leben von Bakterien, sondern auch von Vielzellern, die sich den Nothammer nur "geborgt" haben.
Um nicht gleich bei jedem Milieuwechsel den osmotischen Tod zu sterben, haben viele Mikroben spezielle Überdruckventile für den Notfall entwickelt. Diese Proteine registrieren den Druckunterschied zwischen innen und außen und öffnen im Notfall ihre Poren. Dann schießt das Wasser samt der darin enthaltenen Ionen, Nährstoffe und kleiner Proteine nach draußen – ein herber Verlust für die Zelle, aber allemal besser als zu platzen.
Auf Seiten der Wissenschaftler ist man neidisch auf diese strikt regulierten Ventile. Nicht etwa aus Furcht, sich plötzlich selbst zu sehr aufzublähen, sondern weil sie für ihre Ideen von exakt gesteuerten Mikromaschinen gerne Mechanismen wie die beschriebenen Ventile gebrauchen könnten. Nur leider hat es sich als äußerst schwierig erwiesen, die Aufgabe im Maßstab von einigen hundert Nanometern in den Griff zu bekommen. Es ist eben einfach zu klein für Wesen von der Meterskala.
Wenn sich die begehrten Ventile nicht nachbauen lassen, könnte man doch einfach die Originale modifizieren, lautete darum die Idee niederländischer Forscher um Armagan Kocer von der BiOMaDe Technology Foundation. Also isolierten die Wissenschaftler das Ventil-Protein MscL (Mechanosensitive channel of Large conductance) aus dem beliebten Bakterium Escherichia coli und versahen es an seinem regulierenden Ende mit lichtempfindlichen Substanzen. Eingebaut in kleine Membrankügelchen, so genannte Liposome, musste die manipulierte Version zeigen, wie sie auf Druck und Licht reagiert.
Der Druck ließ das veränderte Ventil kalt. Anders war es bei Belichtung mit nahem UV-Licht: Je nach angehängtem Farbstoff öffnete das Protein schnell oder langsam die Pore. Schnell ging es, wenn das fotosensitve Molekül im UV-Licht zerfiel – danach war und blieb die Pore irreversibel offen. Hing an dem Protein jedoch ein Farbstoff, der reversibel mit UV- und sichtbarem Licht zwischen zwei verschiedenen Zuständen hin und her geschaltet werden konnte, brauchte der Übergang bis zu zwei Minuten – dafür ließ sich das Ventil nicht nur öffnen, sondern auch wieder schließen.
Die bisherigen Experimente zeigen vor allem, dass natürliche Proteine im Prinzip für neue Aufgaben modifiziert werden können. Für einen wirklichen Einsatz ist das System aber noch längst nicht geeignet, denn noch sind die Liposomen auch bei geschlossenem Ventil ein wenig leck, und das reversible Schalten funktioniert mit jedem Zyklus weniger gut. Mit einer Menge Forscherfleiß und einer ebenso großen Portion Glück könnten aber aus Bakterien gewonnene Ventile eines Tages winzige Reaktionen im Mikromaßstab steuern oder Liposomen Wirkstoffe durch den Körper transportieren und gezielt dort entlassen, wo eine von außen aufgesetzte Lichtquelle die Ventile öffnet. Dann retten die Notfall-Proteine vielleicht nicht nur das Leben von Bakterien, sondern auch von Vielzellern, die sich den Nothammer nur "geborgt" haben.
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